15CrNiMn鋼方框偏析的改善對軋材力學性能的影響

史文輝，高素臻，楊 勇，冶廷全，馬恒春，梅國俊，錢才讓

(1.西寧特殊鋼股份有限公司，青海 西寧 810005；2.青海西鋼特殊鋼科技開發有限公司， 青海 西寧 810005)

近年來我國礦山、鉆探事業發展迅速，對鉆頭用材料的要求也越來越高。釬(鉆)具用鋼要求具備氣體含量低、純凈度高、成分均勻、晶粒細小，沖擊疲勞性能優良、使用壽命長等特點。

15CrNiMn鋼作為一種釬具用鋼，屬于表面硬化鋼，用于生產牙輪鉆頭，是牙輪鉆機直接破碎巖石的工具。牙輪鉆頭材料性能的好壞，直接影響著鉆機的生產率和鉆孔成本。連鑄坯方框偏析的變化對軋材性能具有一定的影響[1]，在軋制過程中，軋件內部的應變、應變速率及溫度等各場變量的變化情況不僅能夠影響產品的最終尺寸，而且能夠導致軋件各部位的變形程度，進而決定產品的性能[2]。因此，本文通過借助有限元仿真技術，結合某鋼廠連鑄坯生產特點，對15CrNiMn鋼410 mm×530 mm連鑄大方坯粗軋(中間坯尺寸為290 mm×300 mm)過程中進行質點追蹤，研究開坯過程中軋件內部約280 mm×170 mm方框偏析的變化及改善，進而在實物上驗證方框偏析的改善對15CrNiMn鋼力學性能的影響。

1 研究目的及模擬方案

為了改善方框偏析，對鋼材粗軋環節進行等軸晶區歸方模擬。粗軋采用孔型系統為1 250連鑄坯輥孔型，連鑄坯尺寸為410 mm×530 mm，粗軋中間坯尺寸為290 mm×300 mm，實現中間坯方框偏析的改善，最終驗證工業產材(Φ130 mm)后的力學性能，模擬粗軋孔型如表1所示。

2 有限元模型建立

2.1 基本假設

假設條件為：①軋件為變形體，材料的物理性能參數隨時間的變化而變化，包括比熱容、熱導系數、摩擦系數、熱膨脹系數、彈性模量；②軋件的材質均勻，為各項同性；③軋輥定義為剛體，沒有變形；④材料遵循Von Mises屈服準則[3]；⑤塑性變形區內的行為服從流動準則和硬化定律；⑥軋件接觸摩擦過程中采用庫倫摩擦模型[4]。

2.2 軋制物理模型

(1)軋輥模型：粗軋9架機架均采用直徑為Ф1 250 mm的平輥，軋輥在軋制過程中屬于對稱軋制，取軋輥1/2建立幾何模型，并按平立交替布置以實現無扭軋制。

(2)軋件：軋件截面尺寸為410 mm×530 mm，角部圓角半徑為20 mm，取原始坯料的2 000 mm長，由于軋制時的對稱性，取軋件1/4建立幾何模型[5]。

(3)后推板：尺寸為300 mm×300 mm，其作用為幫助咬入，在實現穩態軋制后及時脫離軋件。

本文采用三維造型軟件Solidworks建立粗軋9道次“箱型-箱型-箱型-箱型-箱型-箱型-箱型-箱型-箱型”孔型系統對應的幾何模型[6]，如圖1所示。具體做法：根據BD軋機用Ф1 250 mm軋輥實體在軟件中建立對應的三維模型，最后以“stl”文件格式進行幾何模型的輸出，此時的FEM文件格式就是Deform軟件中的求解器可以識別的文件格式。進入Deform軟件用戶界面，點擊“mesh”選項，即可將幾何實體導入仿真軟件，完成兩種軟件的無縫對接。

表1 BD軋機軋制程序表

2.3 邊界條件

模型中將軋輥視為恒溫剛性體，軋輥溫度為200 ℃；推板為剛性體，溫度為200 ℃。軋件為塑性體，研究材料為15CrNiMn，對應DEFORM 3D材料庫中鋼號為DIN-16MnCr5；軋件的初始溫度為均勻溫度場，為1 150 ℃；邊界條件有摩擦條件和傳熱條件：軋輥、推板與軋件接觸面上采用剪切摩擦，摩擦系數取0.5；由于軋制速度快、溫降慢的特點，本文僅啟動了有限元仿真軟件的變形模塊，定義軋件與環境、軋輥之間不發生熱交換。

圖1 有限元物理模型

3 模擬結果

3.1 內部方框偏析的流動情況

如圖2所示為軋制過程第一道次軋制過程軋件內部的等效應力分布云圖，由圖2可知，當模擬運行到第8步時，軋件在后推板的作用下開始咬入軋輥并發生變形，其中表面變形最為激烈，主要是隨著壓下量的不斷增加，金屬的變形抗力逐漸增大。運行到第12步時，后推板已經被撤離，此時軋制靠軋件和軋輥之間的摩擦進入穩態階段，該階段軋制變形穩定，軋制力波動幅度較小，如圖3所示。當軋件脫離軋輥時，因軋件的壓下量突然減小幾乎為0，故軋制力又急劇下降。軋制力在其他道次中的變化規律基本相同，不同之處在于軋制力會因軋件壓下量的不同而有所區別。

3.2 影響方框偏析分布的原因分析

在一定的溫度下，心部質點的流動首先取決于壓下量的大小，其次受到孔型側壁對寬展的限制的影響，然而BD軋機為適應不同尺寸規格的坯型軋制，將各孔型的槽口深度適當減小、寬度適當增大，導致軋件在孔型中的軋制為自由寬展軋制，因而質點的流動主要取決于壓下量的分布。

在心部的280 mm×170 mm邊界上選取了具有代表性的4點，分別為P1、P2、P3、P4，如圖4(a)所示，通過觀察和測量以上四個節點在橫截面上相對坐標的變化情況來研究各道次不同壓下量對矩形形貌的影響。

圖2 第一道次軋制演化過程

圖3 第1道次軋制力曲線

由表2可知，單面兩道次壓下時，僅在軋制方向的坐標值發生變化，而在寬展方向的坐標值幾乎不發生變化。例如，第1道次壓下55 mm時，P1、 P2、P3的橫坐標變化5～7 mm，P2的縱坐標變化7.6 mm，P3、P4的縱坐標變化23 mm。在第2道次壓下50 mm后，P1的橫坐標變化1 mm，P3的橫坐標變化3.5 mm，縱坐標中P2變化6 mm，P3、P4變化12 mm。由此可見，隨著加工硬化的進行，相同壓下量下，第2道次各質點的坐標變化相比第1道次減小約50%。軋件經過單面兩道次壓下的平立交替軋制后，在第9道次終軋完畢時的尺寸為290 mm×300 mm，心部四個質點構成的最終形貌為60 mm×66 mm的方形，形狀比較規則，而且對稱分布在軋件中心，如圖4(b)所示。

圖4 心部質點的軋制演變

表2 軋制過程中P1、P2、P3、P4四點的坐標變化情況

3.3 金屬流動機制

分析了P2、P3兩個質點分別在軋制方向和寬展方向上位移的變化情況，由圖5可知，在第2、5、6、8道次軋制時，初始位置相差一半的P2、P3兩點的位移變化量仍存在1∶2的比例，但在第一道次時兩者的比例為1∶3，而此時料寬比為1.29。說明料寬比越大、壓下量越大，金屬在軋制方向的位移變化就越大。

由圖6可知，兩個質點在寬展方向的位移變化隨著軋制道次的增加逐漸減小至幾乎為零。質點2在第2道次軋制時在寬展方向沒有發生位移，而到了第5道次時質點2的位移變化量超過質點3，主要原因是軋件的料寬比從1.14增大到1.25，此后的幾個道次受加工硬化和料寬比的較小，位移變化不明顯

4 工業驗證

在軋制工藝改變之前，某鋼廠410 mm×530 mm連鑄坯經過9道次1 250 mm軋機粗軋后，得到中間坯方框偏析尺寸為160 mm×130 mm；通過按模擬孔型進行實際軋制后，得到鋼坯芯部金屬流動變化與模擬試驗基本吻合，改善了過程坯內部等軸晶區，得到過程坯方框偏析尺寸為135 mm×123 mm，與試驗得到結果近似相等，如圖7所示。從力學性能數據中屈強比來看，偏析改善后的屈強比明顯提高，高的屈強比對能夠讓鉆具在服役過程中承受更高疲勞強度，進而提高了鉆具的疲勞壽命。

圖5 P3、P2點沿軋制方向上的位移變化

圖6 P2、P3點沿寬展方向上的位移變化

5 討論與結論

(1)金屬流動演變機制為：前三道次位移變化比較明顯；料寬比越大，壓下量越大，位移變化越劇烈。

圖7 實際生產軋制演變

(2)通過在410 mm×530 mm連鑄坯內構造280 mm×170 mm的方框偏析區，研究了模擬粗軋工藝對鋼坯內部金屬質點的流動規律的影響，最后經過9道次軋制后，在290 mm×300 mm的過程坯中找到了經過變形壓縮后120 mm×132 mm的方框偏析形貌，得到近似1∶1的理想方框偏析形貌。

(3)結合模擬粗軋孔型工藝及數據，對410 mm×530 mm連鑄坯進行對應的實際驗證，得到過程坯內部123 mm×135 mm的方框偏析與模擬試驗數據相近，說明設計的粗軋工藝是合理的，且對鋼坯內部性能能夠起到一定的改善效果。

(4)通過對比，發現15CrNiMn鋼方框偏析改善后的鋼材力學性能比改善前得到了明顯的提升(見表3)。

表3 15CrNiMn鋼力學性能變化